Efektivní rozptylová plocha

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 10. července 2021; kontroly vyžadují 3 úpravy .

Efektivní rozptylová plocha (ESR; v některých zdrojích - efektivní rozptylová plocha , efektivní rozptylová šířka , efektivní odrazová plocha , trubice zesilovače obrazu) v radaru - plocha nějaké fiktivní ploché plochy umístěné kolmo ke směru dopadající rovinné vlny a je ideální a izotropní reemitor, který umístěním v místě cíle vytváří v místě antény radarové stanice stejnou hustotu výkonového toku jako skutečný cíl [1] .

RCS je kvantitativní míra vlastnosti objektu rozptylovat elektromagnetickou vlnu [2] . Spolu s energetickým potenciálem vysílací-přijímací cesty a KU radarových antén je RCS objektu zahrnuta do rovnice dosahu radaru a určuje vzdálenost, ve které může být objekt radarem detekován . Zvýšená hodnota RCS znamená větší radarovou viditelnost objektu, snížení RCS znesnadňuje detekci (viz technologie stealth ).

EPR konkrétního objektu závisí na jeho tvaru, velikosti, materiálu, ze kterého je vyroben, na jeho orientaci (pohledu) vzhledem k anténám vysílací a přijímací polohy radaru (včetně polarizace elektromagnetických vln), na vlnová délka snímacího rádiového signálu. RCS se určuje v podmínkách vzdálené zóny rozptylovače, přijímací a vysílací antény radaru.

Vzhledem k tomu, že RCS je formálně zavedený parametr, jeho hodnota neodpovídá ani hodnotě celkového povrchu difuzoru, ani hodnotě jeho průřezové plochy (angl. Cross- section ). Výpočet EPR je jedním z problémů aplikované elektrodynamiky , který se řeší s různou mírou přiblížení analyticky (pouze pro omezený rozsah těles jednoduchých tvarů, např. vodivá koule, válec, tenká obdélníková deska apod.) popř. numerické metody. Měření (kontrola) RCS se provádí na zkušebních stanovištích a v radiofrekvenčních bezodrazových komorách s využitím reálných objektů a jejich zmenšených modelů.

RCS má jednotku plochy a obvykle se udává v m² nebo dBm . Pro objekty jednoduchého tvaru - test - se EPR obvykle normalizuje na druhou mocninu vlnové délky sondovacího rádiového signálu. EPR prodloužených válcových objektů je normalizován na jejich délku (lineární EPR, EPR na jednotku délky). EPR objektů rozmístěných v objemu (například dešťový mrak) je normalizován na objem prvku rozlišení radaru (EPR / m³). RCS povrchových cílů (zpravidla část zemského povrchu) je normalizována na plochu prvku rozlišení radaru (EPR / m²). Jinými slovy, RCS rozmístěných objektů závisí na lineárních rozměrech konkrétního rozlišovacího prvku konkrétního radaru, které závisí na vzdálenosti mezi radarem a objektem.

EPR lze definovat následovně (definice je ekvivalentní té, která je uvedena na začátku článku):

Efektivní oblast rozptylu (pro harmonický sondovací rádiový signál) je poměr výkonu rádiového vyzařování ekvivalentního izotropního zdroje (vytvářejícího stejnou hustotu toku rádiového vyzařování v místě pozorování jako ozářený rozptylovač) k hustotě výkonového toku (W /m²) sondovací rádiové emise v místě rozptylovače.

RCS závisí na směru od rozptylovače ke zdroji rádiového signálu sondy a směru k pozorovacímu bodu. Protože se tyto směry nemusejí shodovat (v obecném případě jsou zdroj sondovacího signálu a bod registrace rozptýleného pole prostorově odděleny), pak se takto zjištěná EPR nazývá bistatická EPR ( dvoupolohová EPR , anglicky bistatic RCS ).

Diagram zpětného rozptylu (DOR, monostatic EPR , single- position EPR , anglicky monostatic RCS , back-scattering RCS ) - hodnota EPR při shodě směrů od rozptylovače ke zdroji snímacího signálu a k pozorovacímu bodu. EPR je často chápán jako jeho speciální případ - monostatický EPR, tedy DOR (pojmy EPR a DOR jsou smíšené) kvůli nízkému rozšíření bistatických (vícepolohových) radarů (ve srovnání s tradičními monostatickými radary vybavenými jediným transceiverem). anténa). Je však třeba rozlišovat mezi EPR(θ, φ; θ 0 , φ 0 ) a DOR(θ, φ) = EPR(θ, φ; θ 0 =θ, φ 0 =φ), kde θ, φ je směr k bodu registrace rozptýleného pole; θ 0 , φ 0 je směr ke zdroji snímací vlny (θ, φ, θ 0 , φ 0 jsou úhly sférického souřadnicového systému , jehož počátek je zarovnán s rozptylkou).

V obecném případě pro sondovací elektromagnetickou vlnu s neharmonickou časovou závislostí ( širokopásmový sondovací signál v časoprostorovém smyslu) je efektivní rozptylová plocha poměr energie ekvivalentního izotropního zdroje k hustotě energetického toku (J/ m2) sondovací rádiové emise v místě rozptylovače.

Výpočet EPR

Uvažujme odraz vlny dopadající na izotropně odrážející povrch s plochou rovnou RCS. Výkon odražený od takového cíle je součin RCS a hustoty dopadajícího toku energie:

P_{2}=\sigma \cdot \rho _{1}

(jeden)

kde je RCS cíle, je hustota toku výkonu dopadající vlny dané polarizace v místě cíle, je výkon odražený cílem. $\sigma$ $\rho_{1}$ $P_2$

Na druhou stranu izotropně vyzařovaný výkon

P_{2}=4\pi R^{2}\cdot \rho _{2}

(2)

kde je vzdálenost od radaru k cíli, je hustota výkonového toku vlny dané polarizace odražené od cíle v místě radaru. $R$ $\rho _{2}$

Dosazením výrazu (2) do (1) získáme výraz pro RCS cíle:

\sigma =4\pi R^{2}{\frac {\rho _{2}}{\rho _{1}}}

(3)

Nebo pomocí intenzity pole dopadající vlny v místě cíle a odražené vlny v místě radaru: $E_1$ $E_2$

\sigma =4\pi R^{2}{\frac {E_{2}^{2}}{E_{1}^{2}}}

(čtyři)

Příkon přijímače:

P_{r}=\rho _{2}\cdot S_{A}

(5)

kde je efektivní plocha antény . $S_{A}$

Výkonový tok dopadající vlny je možné určit z hlediska vyzářeného výkonu a směrovosti antény pro daný směr záření. $P_{e}$ $D$

\rho _{1}={\frac {P_{e}}{4\pi R^{2}}}D

(6)

Dosazením (6) a (2) do (5) pro výkon na vstupu radarového přijímače máme:

P_{r}=S_{A}\cdot \rho _{2}=S_{A}{\frac {P_{2}}{4\pi R^{2}}}=S_{A}{\frac {\sigma \rho _{1}}{4\pi R^{2}}}=S_{A}\sigma {\frac {P_{e}}{(4\pi R^{2})^{ 2}}}D

(7)

Nebo

P_{r}=k_{0}\sigma

(osm)

kde . $k_{0}={\frac {P_{e}}{(4\pi R^{2})^{2}}}DS_{A}$

Takto,

\sigma ={\frac {P_{r}}{P_{e}}}{\frac {(4\pi R^{2})^{2}}{S_{A}D}}

(9)

Fyzikální význam EPR

EPR má rozměr plochy [ m² ], ale není geometrickou plochou (!), ale je energetickou charakteristikou, to znamená, že určuje velikost výkonu přijímaného signálu.

\sigma [db]=10\lg {\frac {\sigma }{\sigma _{0))}

Analyticky lze RCS vypočítat pouze pro jednoduché účely. Pro komplexní účely se RCS měří prakticky na specializovaných testovacích místech nebo v bezodrazových komorách .

RCS cíle nezávisí na intenzitě vyzařované vlny, ani na vzdálenosti mezi stanicí a cílem. Jakékoli zvýšení vede k proporcionálnímu zvýšení a jejich poměr ve vzorci se nemění. Při změně vzdálenosti mezi radarem a cílem se poměr mění obráceně a hodnota RCS zůstává nezměněna. $\rho_{1}$ $\rho _{2}$ ${\rho _{2}}/{\rho _{1}}$ $R^{{2}}$

RCS společných bodových cílů

Konvexní povrch

Pole z celé plochy S je určeno integrálem Je nutné určit E 2 a poměr v dané vzdálenosti k cíli ... $\int \limits _{S}...\,dS$ ${\frac {E_{2}^{2}}{E_{1}^{2}}}$

Všude dole je vlnová délka v centimetrech. ${\displaystyle {\lambda ))$

\sigma =4\pi R^{2}\left|{\frac {E_{2}^{2}}{E_{1}^{2}}}\right|

E_{2}={\frac {1}{\lambda }}\int \limits _{S}{\frac {E_{1}}{R}}\exp(-j\cdot 2kR)\cos \theta \,dS

(deset)

kde k je vlnočet .

1) Pokud je objekt malý, lze vzdálenost a pole dopadající vlny považovat za nezměněné. 2) Vzdálenost R lze považovat za součet vzdálenosti k cíli a vzdálenosti v rámci cíle: $R,E_{1}\approx const$

R=R_{0}+r

$R_{0}$ - vzdálenost od radaru k objektu
$r$ - místní vzdálenost

Pak:

$E_{2}={\frac {E_{1}}{\lambda R}}\exp(-j\cdot 2kR_{0})\int \limits _{S}{\frac {E_{1}}{ R}}\exp(-j\cdot 2kr)\cos \theta \,dS$ ,	(jedenáct)
${\frac {E_{2}}{E_{1}}}={\frac {1}{\lambda R}}e^{{-j2kR}}\int \limits _{S}{\frac {E_ {1}}{R}}e^{{-j2kr}}\cos \theta \,dS$ ,	(12)
$\left\|{\frac {E_{2}}{E_{1}}}\right\|=\left\|{\frac {1}{\lambda R}}\left(e^{{-j4\pi { \frac {R}{\lambda }}}}{\Bigr \|}_({\approx 1}}\right)\int \limits _{S}{\frac {E_{1}}{R}}e ^{{(-j2kr)}}\cos \theta \,dS\right\|={\frac {1}{\lambda R}}\left\|\int \limits _{S}{\frac {E_{1 }}{R}}e^{{(-j2kr)}}\cos \theta \,dS\right\|$ ,	(13)
$\sigma ={\frac {4\pi }{\lambda ^{2}}}\left\|\int \limits _{S}e^{{-j2{\frac {2\pi }{\lambda }} r}}\cos \theta \,dS\right\|^{2}$ ,	(čtrnáct)

Plochá deska

Plochý povrch je speciální případ zakřiveného konvexního povrchu.

\sigma ={\frac {4\pi }{\lambda ^{2}}}S^{2}

(patnáct)

Pokud je rovina o ploše 1 m² a vlnové délce 10 cm (3 GHz), pak

\sigma ={\frac {4\pi \přibližně 12}{10^{{-2))))\přibližně 1200[m^{2}]

Shara

U koule bude 1. Fresnelova zóna zóna ohraničená rovníkem.

{\displaystyle \sigma =\pi r^{2))

(16)

Rohový reflektor

Rohový reflektor se skládá ze tří na sebe kolmých rovin. Na rozdíl od desky poskytuje rohový reflektor dobrý odraz v širokém rozsahu úhlů.

Trojúhelníkový

Pokud je použit rohový reflektor s trojúhelníkovými plochami, pak EPR

\sigma ={\frac {4\pi }{3\lambda ^{2}}}a^{4},

(17)

kde je délka hrany. $A$

Čtyřúhelníkový

Pokud se rohový reflektor skládá ze čtyřúhelníkových ploch, pak EPR

\sigma ={\frac {4\pi }{\lambda ^{2))}3a^{4}.

(osmnáct)

Aplikace rohových reflektorů

Používají se rohové reflektory:

jako návnady;
jako rádiové kontrastní orientační body;
při provádění experimentů se silným směrovým zářením.

Plevy

Pleny se používají k vytvoření pasivní interference s provozem radaru.

Hodnota RCS dipólového reflektoru obecně závisí na úhlu pozorování, ale RCS pro všechny úhly:

{\displaystyle \sigma =0,17\lambda ^{2))

Plevy se používají k maskování vzdušných cílů a terénu, stejně jako pasivní radarové majáky.

Odrazový sektor plev je ~70°

EPR komplexních cílů (skutečných objektů)

RCS složitých reálných objektů jsou měřeny na speciálních instalacích nebo vzdálenostech, kde jsou dosažitelné podmínky vzdálené ozařovací zóny.

#	Typ cíle	$\sigma _{{\text{c))}$ [ m² ]
jeden	Letectví
1.1	Stíhací letoun	3–12 [3]
1.2	stealth bojovník	0,3–0,4 [3]
1.3	frontový bombardér	7-10
1.4	Těžký bombardér	13-20
1.4.1	bombardér B-52	100 [4]
1.4	Dopravní letadla	40-70
2	lodí
2.1	Ponorka na hladině	několik čtverečních metrů. [5]
2.2	Řezání ponorky na hladině	několik čtverečních metrů. [5]
2.3	loď	padesáti
2.4	raketový člun	500
2.5	ničitel	10 000
2.6	Letadlová loď	50 000 [6]
3	Pozemní cíle
3.1	Automobil	3–10 (vlna asi 1 cm) [7]
3.2	Tank T-90 (vlnová délka 3-8 mm)	29 [8] [9]
čtyři	Munice
4.1	Řídící střela ALCM (vlnová délka 8 mm)	<0,1
4.2	Hlavice operačně-taktické rakety	0,15–1,6 [10]
4.3	Nukleární hlavice SLBM (TN-75/TN-71)	0,01/0,1–0,25 [11]
5	Jiné účely
5.1	Člověk	0,8-1
6	Ptáci [12] (křídla složená, vlnová délka 5 cm)	(maximální limit EPR)
6.1	Věž ( Corvus frugilegus)	0,0048
6.2	Labuť němá (Cygnus olor)	0,0228
6.3	Kormorán velký (Phalacrocorax carbo)	0,0092
6.4	Luňák červený (Milvus Korshun)	0,0248
6.5	Kachna divoká (Anas platyrhynchos)	0,0214
6.6	Husa šedá (Anser anser)	0,0225
6.7	Vrána vrána (Corvus cornix)	0,0047
6.8	Vrabec stromový (Passer montanus)	0,0008
6.9	Špaček obecný (Sturnus vulgaris)	0,0023
6.10	Racek černohlavý (Larus ridibundus)	0,0052
6.11	Čáp bílý (Ciconia ciconia)	0,0287
6.12	čejka chocholatá (Vanellus vanellus)	0,0054
6.13	Krůtí sup (Cathartes aura)	0,025
6.14	Holubice skalní (Columba livia)	0,01
6.15	vrabec domácí (Passer domesticus)	0,0008

EPR koncentrovaného cíle

Dvoubodový cíl je dvojice cílů umístěných ve stejném objemu radarového rozlišení. Pomocí vzorce (4) můžeme najít amplitudy polí odražené vlny:

\sigma =4\pi R^{2}{\frac {E_{2}^{2}}{E_{1}^{2}}}

${\dot U}_{1}=U_{1}\exp(j\omega _{0}(t-t_{{R_{1))}))$	(19)
${\dot U}_{2}=U_{2}\exp(j\omega _{0}(t-t_{{R_{2))}))$	(dvacet)

Časová zpoždění lze vypočítat:

t_{{R_{1}}}={\frac {2R_{1}}{c}}

t_{{R_{2}}}={\frac {2R_{2}}{c}}

Odtud:

${\tečka U}_{1}=U_{1}\exp(-j\omega _{0}t_{{R_{1)))}))=U_{1}\exp(-j\underbrace { 2 {\tfrac {2\pi }{\lambda }}R_{1}}_({\varphi _{1}}})$	(21)
${\tečka U}_{2}=U_{2}\exp(-j\omega _{0}t_{{R_{2)))}))=U_{2}\exp(-j\underbrace { 2 {\tfrac {2\pi }{\lambda }}R_{2}}_({\varphi _{2}}})$	(22)

pak:

U_{\Sigma }={\tečka U}_{1}+{\tečka U}_{2}=U_{1}e^{{-j\varphi _{1))}+U_{2}e ^{{-j\varphi _{2}}}

(23)

U_{\Sigma }=\left|{\tečka U}_{\Sigma }\right|={\sqrt ({\tečka U}_{\Sigma }{\tečka U}_{\Sigma }^{* }}}

$U_{\Sigma }={\sqrt {U_{1}^{2}+U_{2}^{2}-2U_{1}U_{2}\cos \varphi _{{12))))$	(24)
$\phi _{12}=2kl\sin \gamma$	(25)
${\dot U}_{{prm}}=k_{1}{\sqrt {\sigma }}$

Tudíž,

\sigma _{\Sigma }=\sigma _{1}+\sigma _{2}+2{\sqrt {\sigma _{1}\sigma _{2))}\cos(2{\tfrac {2 \pi }{\lambda }}l\sin \gamma )

(26)

Diagram zpětného rozptylu

Závislost EPR na úhlu odrazu se nazývá diagram zpětného rozptylu (BSD). DOR bude mít drsný charakter a jednoznačně víceokvětní. V tomto případě budou nuly DOR odpovídat protifázovému sčítání signálů z cíle v místě radaru a proud bude odpovídat hodnotě společného režimu. V tomto případě může být RCS buď větší, nebo menší než RCS každého z jednotlivých cílů. Pokud vlny dorazí v protifázi, bude pozorováno minimum, a pokud ve fázi, pak maximum: $\sigma (\gamma )$

{\displaystyle \sigma _{min}=({\sqrt {\sigma _{1))}-{\sqrt {\sigma _{2))})^{2))

{\displaystyle \sigma _{max}=({\sqrt {\sigma _{1))}+{\sqrt {\sigma _{2))})^{2))

Nechte tedy: ${\displaystyle \sigma _{1}=\sigma _{2}=\sigma _{0))$

\sigma =2\sigma _{0}(1+\cos(2{\tfrac {2\pi }{\lambda }}l\sin \gamma ))=4\sigma _{0}\cos ^{2 }({\tfrac {2\pi }{\lambda }}l\sin \gamma )

Skutečné objekty mají několik oscilujících bodů.

{\tečka U}_{\Sigma }=\součet _{{i=1}}^{{N}}{\tečka U}_{i}=\součet _{{i=1}}^{{ N}}U_{i}e^{{-j\varphi _{i}}}

U_{\Sigma }=\left|{\tečka U}_{\Sigma }\right|={\sqrt {\sum _{{i=1}}^{{N}}U_{i}e^{ {-j\varphi _{i}}}\cdot \sum _{{i=1}}^{{N}}U_{i}e^{{j\varphi _{i}}}}}

U_{\Sigma }=\součet _{{i=1}}^{{N}}U_{i}+2\součet _{{i=1}}^{{N}}\součet _{{k =1}}^{{N}}U_{i}U_{k}\cos \varphi _{{i,k}}

\varphi _{{i,k}}\přibližně -\pi ..\pi

, což znamená .

\cos \varphi _{i,k}\cca 0

Pak celkové pole:

U_{\Sigma }=\sum _{i=1}^{N}U_{cp_{i}}^{2}\Šipka doprava \sigma =\sum _{i=1}^{N}\ sigma _{cp_{i}}

\varphi _{{i,k}}

— je definována jako změna fázové struktury odražené vlny.

Fázové čelo odražené vlny se liší od kulového.

Definice RCS distribuovaných cílů

Distribuovaný cíl je cíl, jehož rozměry přesahují rozlišovací objem radaru .

Podmínka rozdělení cíle

Porušení některé z podmínek zavádí cíl do třídy distribuovaných

{\begin{cases}l\leqslant \delta R\\l\leqslant \delta l_{h}\\l\leqslant \delta l_{w}\\\end{cases))

Tady:

$\delta R$ - Velikost rozlišovacího objemu radaru v dosahu;
${\displaystyle \delta l_{h))$ - Velikost rozlišovacího objemu radaru na šířku (azimutový úhel);
${\displaystyle \delta l_{w))$ - Velikost rozlišovacího objemu radaru ve výšce (nadmořská výška);

To znamená, že lineární rozměry cíle musí být zcela v rámci rozlišovacího prvku radaru.

Pokud tomu tak není, pak v tomto případě bude RCS cíle součtem RCS každého elementárního úseku cíle:

\sigma =\sum _{{i=1}}^{{N}}\sigma _{{cp_{i}}}

Pokud se distribuovaný objekt skládá z izotropních reflektorů stejného typu se stejnými vlastnostmi, pak celkový RCS lze nalézt jako součin RCS podle počtu reflektorů:

\sigma =N\cdot \sigma _{{cp}}

Ale počet prvků takového cíle je obvykle neznámý!

Specifické RCS

V tomto případě je vhodné zavést konkrétní RCS ( σ sp ) - jedná se o RCS jednotkové plochy ( dS ), nebo jednotkového objemu ( dV ) distribuovaného cíle.

$\sigma _{S}=\sigma _{{dS}}\cdot S$	(27)
$\sigma _{V}=\sigma _{{dV}}\cdot V$	(28)

Tady:

$\sigma _{dS}$ - specifické RCS jednoho povrchu ; $[-]$
$\sigma _{dV}$ - specifické RCS jednoho objemu ; $\left[{\tfrac {1}{m}}\right]$
S - současně reflexní plocha
V je současně odrážející objem.

S a V jsou zcela určeny šířkou vyzařovacího diagramu a prvkem pro rozlišení vzdálenosti, tj. parametry emitovaného signálu.

Viz také

Technologie pro snížení viditelnosti (stealth)

Literatura

Smirnov A. Radarová viditelnost objektů (ruská) // Armádní sbírka: časopis. - 2013. - Listopad ( roč. 234 , č. 11 ). - S. 21-23 .

Infrastruktura

Měření efektivní plochy rozptylu celkového uspořádání letadla se provádí následovně:

stanice měřicího komplexu
výškový průzkumný letoun A-12
OTR " seržant "
SLCM " Tomahawk "
Velitelský/servisní prostor kosmické lodi Apollo

Poznámky

↑ Finkelstein M.I. Základy radaru. Proč. pro univerzity. 2. vyd. / M.: Rádio a komunikace, 1983. S. 126.
↑ Skolnik MI Radar Handbook. 2. vyd. McGraw-Hill Professional, 1990.
↑ 1 2 ZÁKLADNÍ A APLIKOVANÉ PROBLÉMY STEALTH TECHNOLOGIE
↑ MISTR Obranných studií VÝZKUMNÝ PROJEKT PASIVNÍ MULTISTATICKÉ RADARY V ANTI-STEALTH VZDUCHOVÉ obraně
↑ 1 2 RCS se nemůže rovnat nule, ale v tomto případě je zanedbatelné.
↑ Systém ovládání zbraní SUV-VEP "Sword" pro stíhačky řady Su-27, Su-30
↑ "Vizir" by měl být zakázán! — 19. března 2009 — VTIPY NA SILNICÍCH
↑ Kamufláž - Komplex savých materiálů a povlaků (nepřístupný odkaz)
↑ Sotnikov A. M., Sidorenko R. G., Rybalka G. V. Hodnocení odrazných vlastností pozemních a vzdušných objektů s pasivní ochranou na bázi kompozitních radioizotopových povlaků (pdf). Charkovská univerzita letectva. I. Kožeduba, Charkov (15.01.2009). — Byly získány numerické odhady odrazových vlastností pozemních a vzdušných objektů s kompozitními radioizotopovými povlaky. Provedené numerické studie ukazují zásadní možnost a účelnost použití kompozitních radioizotopových povlaků k ochraně zbraní a vojenského vybavení před radarovými naváděcími systémy s centimetrovými a milimetrovými vlnami. Výpočty byly provedeny pro jednovrstvou a dvouvrstvou strukturu pro konstrukci kompozitních radioizotopových povlaků Datum přístupu: 18. května 2009. Archivováno 27. února 2012. (Ruština)
↑ Kazakov E. L, Kazakov A. E. Analýza proveditelnosti použití falešných cílů k proražení protiraketové obrany nepřítele (pdf) (nepřístupný odkaz) . Charkovská univerzita letectva. I. Kožeduba, Charkov (22. prosince 2008). Získáno 18. května 2009. Archivováno z originálu 30. července 2017. (Ruština)
↑ Francouzský jaderný arzenál
↑ Matsyura A. V. Využití různých typů radarů v ornitologickém výzkumu (pdf). Státní pedagogická univerzita Melitopol (25.04.05). Získáno 23. srpna 2009. Archivováno z originálu dne 27. února 2012. (Ruština)

Odkazy

Co je EPR - blogový příspěvek dxdt.ru